Cuando se quieren observar estructuras celulares que están por debajo del poder de resolución del microscopio óptico como orgánulos, membranas, estructuras citosólicas, complejos moleculares de la matriz extracelular o virus, se recurre al microscopio electrónico. Se inventó en la primera mitad del siglo XX y su aplicación a la histología desveló las estructuras celulares más pequeñas denominadas en su conjunto ultraestructura celular. Por tanto, observar ultraestructuralmente a la célula significa observarla con el microscopio electrónico. Este tipo de microscopio tiene un poder de resolución más pequeño que 1 nanometro gracias a que no usan la radiación electromagnética de la luz visible sino la alta frecuencia de un haz de electrones que incide sobre la muestra, y permiten aumentos de varios millones de veces.

El microscopio electrónico no usa lentes sino imanes que concentran los haces de electrones emitidos por un filamento. Normalmente son aparatos grandes puesto que el viaje de los electrones tiene que ocurrir en vacío. Por eso, aparecen grandes tubos dentro de los cuales se crea y manipula el haz de electrones.

En histología se usan dos tipos de microscopios electrónicos: de transmisión y de barrido.

Microscopio electrónico de transmisión

En este tipo de microscopio se produce el haz de electrones en un filamento de tungsteno, que funciona como cátodo. Los electrones se condensan mediante electroimanes y se focalizan sobre una sección de tejido. Las secciones de tejido deben ser muy finas y se denominan ultrafinas (de unas decenas de nanometros) para permitir que sean atravesadas por los electrones y para conseguir imágenes nítidas. Previamente las secciones deben ser tratadas con metales pesados como el osmio, el plomo y el uranilo. La función de estos metales es similar a las tinciones usadas en el microscopio óptico, dar color a las estructuras celulares ya que se concentran en ciertas estructuras celulares, fundamentalmente membranas y complejos macromoleculares. Los electrones que chocan con estos metales rebotarán y no cruzarán el tejido. Aquellos que consigan atravesar el tejido chocarán contra una pantalla fluorescente que emitirá un destello luminoso tras cada choque. Esa imagen emitida por la pantalla fluorescente es la que podemos observar nosotros. Por ello las imágenes observadas con el microscopio electrónico son siempre en blanco y negro, aunque posteriormente se pueden colorear con un ordenador.

Comparativa de la composición básica de un microscopio óptico (izquierda), electrónico de transmisión (centro) y electrónico de barrido (derecha).

Imágenes tomadas en con microscopio electrónico de transmisión. Se puede ver la capacidad de estos microscopios observando el incremento de resolución de las imágenes de izquierda a derecha. Las líneas negras de la imagen de la derecha corresponden a las membranas celulares

Microscopio electrónico de barrido

Los microscopios electrónicos de barrido sirven para observar superficies tisulares. Ello es posible porque los electrones no atraviesan la muestra sino que interaccionan con su superficie. Para que esto ocurra hay que cubrir a la muestra con una máscara de metales que se adapta perfectamente al relieve de la muestra. La muestra se barre con el haz de electrones y los electrones reflejados por ese punto de la superficie son captados por una pantalla receptora que creará un punto de una imagen en una pantalla digital. La imagen completa se formará cuando el haz recorra toda la superficie de la muestra y se consiga información de cada uno de los puntos. Es decir, se escanea la muestra y de ahí el nombre microscopio de barrido o en inglés "scannig".

Por supuesto, las muestras que se observan no son secciones, o al menos no son secciones incluidas en resinas, sino que son trozos de tejido o superficies de secciones obtenidas con vibratomo.

Imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de barrido. Muestran el interior del canal central de una médula espinal de lamprea. Se pueden observar numerosos cilios (con más detalle en B) y pequeñas microvellosidades en los dominios apicales de las células que forman las paredes de dicho canal. (Ver imagen de barrido de estomas de una hoja =>).